主要内容:系统地比较了TKK提供的高表面积碳(HSC)催化剂上装载商用铂对燃料电池性能与耐久性影响。在铂负载相同的情况下,铂纳米颗粒与碳载体之间的质量比将决定催化剂层的厚度以及局部铂含量。耐久性测试结果表明,降解随着局部铂含量的增加而增加,而平均铂载量影响较小。CO在不同相对湿度下的剥离测试(CO-stripping)表明,尽管ECSA损失很大,但Pt在碳颗粒内外的分布几乎没有变化。

  1. 1. 背景

碳负载铂催化剂(Pt/C)是低温质子交换膜燃料电池(PEMFC)应用的重要组成部分。为了降低Pt负载并延长电池寿命,研究了影响催化剂耐久性的几个因素,包括粒径、形状、结构、组成和催化剂载体。通常认为奥斯特瓦尔德熟化、颗粒聚结和碳腐蚀是主要的催化剂降解机制。在本研究中,重点关注了电压在0.6 -0.95V循环过程中催化剂不同Pt负载量对PEMFC耐久性的影响。
  1. 2. 实验细节


质子交换膜:Nafion 211

树脂:D2020

催化剂:TEC10E(05、10、20、40、50)E

载量:0.1 mg/cm2

I/C:0.9

水醇比:水/1-丙醇=4:3

GDL:29BC SGL Carbon

活性面积:5 cm2


  1. 3. CO stripping

测ECSA较HUPD更为准确;在MEA中CO剥离的RH依赖性使其能探测Pt颗粒在碳载体上的分布。碳载体孔隙中的Pt不与离聚物接触,只能在高湿度下获得。另一方面,即使在低湿度条件下,碳载体表面的铂也能被接触到。
  1. 4. 实验结果

初始ECSA均在78-94m2/g之间,表明Pt粒径相似。耐久性测试后,TEC10E05E与TEC10E10E衰减最小,Pt载量越高,ECSA下降越多(图1)。这是因为局域Pt含量越高,奥氏瓦尔德熟化与烧结会更严重,从而衰减加剧。因此,控制催化剂在Pt表面的负载均一性变得极为关键。

TKK:Pt含量对燃料电池性能与耐久性影响  

图1 (a,b)初始ECSA,(c,d)30000 AST循环后ECSA

观察图1(b),10%RH这个数据点,ECSA与100%RH比值均在0.5以下,说明有一半以上的Pt颗粒在多孔碳内部。Pt含量越高,表面Pt比例越多。观察图1(d)低湿区域,ECSA变化不大,证明孔内部Pt与外部Pt活性面积损失速率相近。
观察图2,Pt含量越高,高电密传质性能更优(厚度变薄所致),但是衰减也相应增加。


TKK:Pt含量对燃料电池性能与耐久性影响

图2 TKK催化剂在0.8 V, 0.8 A/cm2,0.67 V条件下的初始性能及其30000圈AST衰减情况。

  1. 5. 小结

同类型催化剂,Pt含量越高,传质更好,但耐久性变差。提高Pt在碳载体上的均匀性是重中之重!


备注:Pt在碳载体上的均匀性控制是各家催化剂厂家的看家本领,与合成方法、反应釜设计、Pt源的时空均一性都有关系!



原文始发于微信公众号(氢能漫谈):TKK:Pt含量对燃料电池性能与耐久性影响

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作者 808, ab